汽輪機數字電液調節系統在化工企業自備電站中的應用

尹 靜

（寶碩氯堿分公司，河北 保定 071051）

汽輪機數字電液調節系統在化工企業自備電站中的應用

尹 靜

（寶碩氯堿分公司，河北 保定 071051）

以HOLLIAS-DEH為基礎介紹了DEH系統的組成、控制原理、控制功能以及在化工企業自備電站機組中的應用。運行結果表明，該系統性能穩定，能滿足自備電站安全高效運行的要求。

DEH；汽輪機；控制

1 汽輪機數字電液調節系統綜述

汽輪機數字電液調節系統 （Digital Electric-Hydraulic Control System）分為電子控制系統部分和液壓調節保安系統部分。

1.1 DEH電子控制系統

硬件方面主要包括I/O控制柜、硬操盤、操作員站、工程師站等。控制柜中除配有常規DCS系統I/O模塊外，還配有DEH專用模塊。軟件方面則通過先進的控制方案和圖形化組態工具，設計出完善的控制策略。DEH電子控制系統完成信號的采集、綜合計算、邏輯處理、人機接口等方面的任務。

1.2 DEH液壓調節保安系統

液壓系統是DEH的執行機構，主要包括供油裝置、油管路及附件、執行機構、危急遮斷系統等[1]。以下是液壓系統主要部套，它們將電氣控制信號轉換為液壓機械控制信號，最終控制汽輪機進汽閥門的開度。

（1）伺服閥（電液轉換器）將電氣信號轉換為與之對應的液壓信號，與伺服控制單元、油動機等結合完成電壓位置隨動控制。

（2）滑閥將油壓、油口開度等信號進行綜合放大，并通過油管路將信號傳遞到各油動機。

（3）油動機的活塞桿通過凸輪配汽機構或直接驅動進汽閥門。它與操縱座、伺服閥、行程測量元件LVDT等設備組成完整的油動機，完成位置隨動，功率輸出功能。

（4）調速泵將轉速轉換為與之對應的液壓信號，再通過滑閥進行綜合放大。

（5）當機組轉速超過預定值時，危急遮斷器立即動作，關閉主汽門、調門。

（6）DEH通過電磁閥可使調節閥快速關閉，或使機組打閘。

（7）通常采用磁阻式測速探頭，DEH的測速單元接受到測速探頭的感應電壓后，即可計算出機組的轉速。

伺服系統工作原理是，DEH控制系統的閥位控制信號在伺服單元與油動機的實際行程LVDT信號綜合，并經PI調節后，控制信號送到伺服閥（DDV閥）改變其油口開度，使油動機相應地上或下運動。當油動機行程達到閥位控制信號指定的位置后，油動機活塞的油口被封住，油動機活塞被定位在指定位置，從而調節閥也被定位在相應的位置。

低壓透平油電液油動機示意圖見圖1。

DDV閥與常規伺服閥比較，結構簡化，可靠性高。

快關轉換閥為一彈簧復位式插裝閥，閥芯上部連接快關控制油，噴咀接通錯油門的脈動油。

LVDT為一線性可變差動變壓器，將油動機的位移變換為電信號，輸入到DEH裝置的伺服板，作為位移反饋。

1.3 DEH控制系統原理及功能

在汽輪發電機組并網前，DEH系統為轉速閉環無差調節系統，可以實現自動升速控制。在機組同期并網時，使發電機帶上初負荷，并由轉速PI控制方式轉為閥位控制方式。并網后DEH的控制方式可在閥位控制、功率控制、主汽壓力控制方式之間無擾切換。

在閥控方式下，操作員通過設置目標閥位或按閥位增減按鈕控制油動機的開度。在閥位不變時，發電機功率將隨蒸汽參數變化而變化。

在功控方式下，操作員通過設置負荷率、目標功率來改變功率給定值，經過控制回路運算后控制油動機的開度。在給定功率不變時，油動機開度自動隨蒸汽參數變化而變化，以保持發電機功率不變。

在壓控方式下，操作員通過設置壓變率、目標壓力來改變壓力給定值，經過控制回路運算后控制油動機的開度。在給定壓力不變時，油動機開度自動隨蒸汽參數變化而變化，以保持主汽壓力不變。

為了確保機組的安全，還設置了多種限制保護功能、試驗系統功能、輔助系統功能等。

2 自備電站12 MW汽輪機改造背景

寶碩氯堿分公司的主要產品是離子膜燒堿和聚氯乙烯樹脂,在離子膜燒堿工藝的電解工序要耗用大量電能。為了降低生產成本，于2006年建立了熱電聯產自備電站，其規模為3×75 t/h循環流化床鍋爐、2×12 MW抽凝式汽輪機、2×15 MW空冷發電機，電廠主要向離子膜燒堿車間電解工段的整流變壓器供電，同時由汽輪機的抽汽向各車間提供生產用汽。

在離子膜燒堿工藝中，用電品質要求高，電壓為10×（1±5%）kV，頻率為（50±0.5）Hz。

電壓和頻率波動過大或過快，就會引起電解槽跳閘，造成重大經濟損失，不利于長期穩定安全生產；同時，膜一車間的蒸發工序和電解工序以及樹脂車間的汽提工序和干燥工序對蒸汽品質要求也較高。

該廠安裝的是由青島捷能汽輪機股份有限公司生產的C12-4.9/0.98型抽凝式汽輪機。1個高壓主汽閥由自動關閉器拖動，自動關閉器的開啟為手動方式。5個高壓調節閥由1個高壓油動機通過杠桿和提板拉動。6個低壓抽汽調節閥由1個低壓油動機通過杠桿和提板拉動。本機組與另一臺機組采用母管制方式供汽。在機組安裝前，經過多方考察與調研，發現汽輪機原液壓調節保安系統存在以下不足。

（1）調節閥為提板式拖動，其流量特性的非線性無法修正，在低轉速時，調節閥很難準確控制轉速。

（2）轉速測量信號為脈沖油壓，低轉速時很難做到轉速閉環控制。

（3）作用在油動機滑閥上的力，上端為彈簧力，下端為脈沖油壓，在壓力油壓變化時會產生寄生反饋，會使油動機不穩定。

（4）在運行中，電、熱負荷在被調整時會發生相互干擾，造成電熱負荷波動較大。

為了達到機組精確控制、快速響應、保證正常生產，決定將原有機械式液壓調節系統改造為低壓透平油純數字電液調節（DEH）系統。

3 HOLLIAS-DEH系統在自備電站中的實現

3.1 DEH電子控制裝置系統

該廠自備電站DCS及DEH系統均采用了和利時公司的MACS-V系統。HOLLIAS-DEH系統共配置了2臺DEH過程控制站，2臺DEH操作員站，1臺工程師站（與DCS系統共用），及相應的繼電器操作回路、硬接線操作盤等。該分公司自備電站DCS網絡結構圖見圖2。

單臺機組DEH硬件配置原理圖見圖3。

通訊網絡分為監控網絡、系統網絡、控制網絡。監控網絡(MNET)由100 M高速冗余以太網絡構成，用于完成工程師站的數據下裝，操作員站的在線數據通訊。系統網絡(SNET)由100 M高速冗余以太網構成，用于完成現場控制站的數據下裝，服務器與現場控制站之間的實時數據通訊。控制網絡(CNET)由PROFIBUS-DP總線構成，用來實現過程I/O模塊與現場控制站主控單元的通信。

工程師站用于對應用系統進行數據庫、控制邏輯算法、圖形和報表等功能組態，并將組態數據下裝到現場控制站和操作員站。

操作員站可以完成系統各工藝流程畫面及實時參數顯示、控制分組調節、過程參數趨勢曲線顯示，報警處理、記錄在線打印、運行狀態及故障顯示、控制參數設定及修改等。

現場控制站由主控單元、各種I/O模塊及現場電源模塊等組成，主要完成轉速控制、閥門管理、伺服放大、閥位移測量的調制和解調、各種定值生成、功率、汽壓、閥位等控制回路及邏輯運算等。DEH專用模塊介紹如下。

（1）DEH專用測速模塊FM163E，系統配有3塊測速板組成三取二冗余結構。

（2）DEH專用伺服模塊 FM146是伺服控制板，它與液壓系統的伺服閥、油動機、LVDE組成電壓—位移隨動系統，系統配有2塊伺服板，分別控制高壓調節閥和低壓調節閥。

（3）繼電器操作回路完成現場電磁閥的驅動、電源失電及硬接線打閘邏輯、硬件甩負荷快關邏輯。

（4）硬接線手操盤安裝在操作臺上，用預制電纜與現場控制站連接，盤面上有調門行程顯示、調門緊急手操按鈕、打閘按鈕（帶保護蓋）等。

3.2 DEH系統控制回路

DEH采用MACS-V系統進行系統組態。主要有以下回路。

（1）轉速控制回路；

（2）功率控制回路；

（3）閥門開度控制回路構成對高壓調節閥開度的控制，維持閥位為定值；

（4）壓力控制（TPC）回路構成對機前主汽壓力的控制，維持鍋爐出口壓力穩定；

（5）控制回路；

（6）汽壓TPL及真空保護控制回路；

（7）護控制回路（OPC）；

（8）減負荷控制回路（RB）；

（9）放大LVDT反饋回路；

（10）手動控制回路只能在并網狀態下才能投入。

3.3 HOLLIAS-DEH控制系統液壓伺服機構的改造方案

以下改造說明均以1臺汽輪機配置為例。

（1）調節系統

a.拆除部件：同步器、抽汽調壓器、節流孔、油路遮斷器。

b.保留部件：高壓錯油門、高壓油動機（各1個）、低壓錯油門、低壓油動機及活動試驗油門、油壓轉換器（各 1 個）。

c.新增部件：油動機控制集成塊（2個）、LVDT（2對）、測速傳感器等。

DEH控制系統使用的電液轉換器是MOOG公司的D634型直接驅動式伺服閥。

（2）保安系統

a.拆除部件：啟動閥、濕式電磁換向閥。

b.保留部件：危急遮斷器、危急遮斷油門、軸向位移遮斷器、電磁閥、主汽門。

c.新增部件：OPC快關集成塊、安全油壓力開關組件。

（3）濾油器組件

為確保DDV電液伺服閥可靠工作，各DDV閥的進油需經過濾油器過濾。濾油器組件由2個濾芯（20 μ）和 1個差壓開關組成。

3.4 HOLLIAS-DEH控制系統的運行方式

DEH系統具有手動控制、操作員自動控制、遙控等3種運行方式[2]，各種運行方式間能無擾切換。由于該廠為孤網運行，遙控運行方式未用到。

3.5 HOLLIAS-DEH控制系統的控制功能

3.5.1 調節控制功能

（1）升速控制

由于該廠汽輪機的特性限制，汽輪發電機組在并網前為手動操作，主油泵工作后，由DEH系統自動完成3 000 r/min定速。

（2）同期并網

可與自動準同期裝置配合，將機組轉速調整到電網同步轉速，以便迅速完成并網操作。并網時，自動使發電機帶上初負荷。

（3）閥控方式

司機通過CRT設置目標閥位或按增、減按鈕改變總閥位給定值，來調整機組負荷。該廠自備電站孤網運行，機組正常運行時只投閥控。

（4）功控方式

根據司機設置的目標負荷，自動調整機組負荷。

（5）壓控方式

根據司機設置的目標主汽壓力，自動調整主汽壓力。

（6）一次調頻

不調頻死區在0~30 r/min內連續可調。不等率在3%~6%內連續可調。功控、閥控均具有一次調頻能力。DEH系統能適應孤網運行要求。當系統突然甩掉90%額定負荷，能通過一次調頻、OPC超速保護維持帶廠用電運行。

（7）解耦計算

DEH對轉速、負荷、抽汽壓力進行控制，實現解耦計算，牽連調節。

（8）緊急手動

系統出現故障時，系統自動切換到手動。操作員通過備用手操盤的增、減按鈕來控制閥門開度，維持機組運行。

3.5.2 限制保護功能

為了確保機組的安全，DEH設置了以下限制保護功能。超速限制；閥位限制；高負荷限制；主汽壓力低限制；快卸負荷該廠DEH系統只提供了接口，實際運行中并未用到此功能；低真空負荷限制；超速保護包括原有機械超速保護、原有電氣超速保護、DEH軟件組態超速保護和DEH測速板硬件超速保護。

3.5.3 試驗系統功能

超速保護試驗用于檢驗103%n0、110%n0、機械超速保護的動作轉速。

閥門嚴密性試驗可分別進行調門、主汽門嚴密性試驗，并記錄轉子惰走時間。

閥門活動試驗可分別對各個油動機進行試驗。停機可以進行仿真試驗。

4 汽輪機組采用DEH后達到的主要技術指標

轉速控制范圍：40～3 600 r/min；

轉速控制精度：≤±1 r/min；

轉速不等率：3%～6%在線可調；

甩負荷時轉速超調量：＜7%，維持3 000 r/min；

甩全負荷最大飛升轉速：＜8%。

5 DEH的可靠性

（1）控制系統以電調控制為主，硬手操控制為備用。

（2）主控單元冗余設計，互為熱備用。重要信號采用三選中冗余設計。油動機LVDT反饋為雙冗余高選。

（3）DEH系統失電或液壓系統工作油壓消失時機組能安全停機。

（4）具有完善的保護系統，且能獨立于調節系統工作。

（5）控制方式可做到無擾切換。

6 DEH的優越性

從自備電站向化工車間供電的具體情況來看，DEH調節系統比汽輪機原有液壓調節系統存在很多優越性。

（1）采用DEH控制系統后，通過使用磁阻式測速探頭、DDV電液轉換器、LVDT、快關轉換閥等克服了原有機械式液壓調節的不足。通過組態能構成各種不同的控制系統，不僅使被調參數準確地維持在給定值上，而且擴展了汽輪機調節保安系統的功能。提高了機組控制精度及其平穩性和可靠性，可延長汽輪發電機組的使用壽命。

（2）DEH可以與DCS實現一體化，既達到電廠內部信息資源共享，又減少了運行人員，節省了運行成本，提高了運行效率和經濟效益。

（3）由于該廠用電負荷主要是6臺電解槽的整流變壓器，而電解槽可能因為其他輔機原因而跳閘，且有電解槽全跳閘的可能性。采用DEH控制系統后，可及時將轉速維持在3 000 r/min，大大提高了電廠運行安全性，從而避免由于汽輪機飛車或汽輪機組本體及輔機損壞而造成的重大經濟損失。

7 結語

通過對近3年的機組運行情況總結，DEH系統充分體現了計算機控制的精確與便利及液壓控制系統的快速響應、安全、驅動力強的特點。使汽輪發電機組平穩運行，降低了發生重大運行事故的機率，保證向化工生產提供高品質的電能及蒸汽，提高了的整體經濟效益，DEH系統已是未來電廠自動化運行的發展趨勢。

[1]張建華主編.熱工儀表及自動裝置.北京:中國電力出版社,2005.

[2]林文孚,胡燕編著.單元機組自動控制技術.北京:中國電力出版社,2003.

[3]DEH操作畫面說明.北京和利時公司,2006.

[4]DEH控制系統培訓教材.北京和利時公司,2006.

Application of turbine digital electric-hydraulic control system in self-supply power plant of chemical enterprise

YIN Jing
(Baoding Electrochemical Plant,Baoding 071051,China)

Based on HOLLIAS-DEH,the composition,control principle and functions of DEH system and its application in self-supply power set were introduced.The system was stable,safe and high efficient for selfsupply power plant.

DEH;turbine;control

TM762

B

1009－1785(2010)02－0026-05

2009-10-12